Bolsa de Doutorado no Imperial College em Adsorção e Transporte de CO2 em Sólidos Nanoporosos

PhD Fellowship at the Imperial College in Adsorption and Transport of CO2 in Nanoporous Solids

Nº: 2661

Área de conhecimento: Engenharia

Field of knowledge: Engineering

Nº do processo FAPESP: 2014/50279-4

FAPESP process: 2014/50279-4

Título do projeto: Adsorção e transporte de CO2 em sólidos nanoporosos

Project title: Adsorption and transport of CO2 in nanoporous solids

Área de atuação: Adsorção e transporte de CO2 em sólidos nanoporosos

Working area: Adsorption and transport of CO2 in nanoporous solids

Quantidade de vagas: 1

Number of places: 1

Pesquisador responsável: Julio Romano Meneghini

Principal investigator: Julio Romano Meneghini

Unidade/Instituição: RCGI - Research Centre For Gas Innovation - USP

Unit/Instituition: RCGI - Research Centre For Gas Innovation - USP

Data limite para inscrições: 24/02/2019

Deadline for submissions: 2019-02-24

Publicado em: 13/02/2019

Publishing date: 2019-02-13

Localização: Imperial College London - South Kensington Campus London SW7 2AZ, UK, Londres/Reino Unido

Locale: Imperial College London - South Kensington Campus London SW7 2AZ, UK, Londres/Reino Unido

E-mail para inscrições: rcgi.opportunities@usp.br

E-mail for proposal submission: rcgi.opportunities@usp.br

  • Resumo Summary

    Apesar da importância de prever fluxos através de meios desordenados (isto é, em reservatórios de óleo e gás, em membranas para separação de fluidos, no transporte de drogas através de biomembranas), existem poucos estudos disponíveis na literatura, que combinam ferramentas multi-escala capazes de conectar nano e macro escalas. Foi demonstrado que os nano-fluxos através de meios desordenados exibem propriedades de transporte que se desviam de seus análogos contínuos. Aqui iremos investigar isto em mais detalhe e avançar substancialmente o campo empregando técnicas avançadas de simulações de dinâmica molecular em condições de não equilíbrio para escoamentos em nanoescala com o intuito de fornecer propriedades de transporte relevantes (por exemplo permeabilidades, coeficiente de difusão, solubilidade etc) de CO2 em nano-confinamento. 

    Objetivo:

    O objetivo a longo prazo da pesquisa é obter uma compreensão da física fundamental por trás dos processos de adsorção e transporte na micro e nanoescala, com o auxílio de simulações computacionais bem guiadas. Espera-se que uma abordagem de simulação molecular de granulação grossa permita aos pesquisadores cobrir complexidades de mistura, tamanhos de sistema, escalas de tempo e comprimento inacessíveis com qualquer outra técnica experimental ou de modelagem, preenchendo uma lacuna atual no conhecimento. O projeto terá como objetivo explorar as relações entre as propriedades dos meios porosos (distribuição do tamanho dos poros, forma e rugosidade dos nanoporos, conectividade, composição química das superfícies, heterogeneidades, etc.) nas propriedades de adsorção e fluxo locais e macroscópicos. Esses cálculos in silico são precisos o suficiente para serem usados como diretrizes para a engenharia reversa de membranas e meios porosos (membranas e/ou leitos de adsorção) com vistas à separação e à purificação de fase fluida. 

    Metodologia:

    Propõe-se realizar simulações de dinâmica molecular de granulação grossa em larga escala de CO2 (e misturas) permeando através de regiões confinadas de modelo. Técnicas de não equilíbrio semelhantes às utilizadas para estudar o fluxo de misturas através de meios porosos, previamente documentadas na literatura [1,2], serão empregadas permitindo a avaliação direta da adsorção, difusão e permeabilidade. A geometria e a composição química da superfície dos poros serão sistematicamente modificadas para compreender os efeitos dessas variáveis na permeabilidade e seletividade das redes porosas. Empregamos modelos de granulação grossa que permitem a implementação de sistemas de tamanhos muito grandes e a exploração de grandes escalas de tempo que, por sua vez, fornecerão informações exclusivas sobre as propriedades de equilíbrio e dinâmica do transporte de CO2 na nanoconfinição. "Graining grosseiro" (do inglês coarse graining) é um termo que se refere ao uso de modelos moleculares simplificados, onde o detalhe atomístico é removido e substituído pela descrição de moléculas em termos de "superátomos", que representam, tipicamente, um pequeno número de átomos pesados. Por exemplo, em uma representação padrão em CG, uma molécula de CO2 poderia ser modelada como uma esfera esférica isotrópica onde todos os detalhes eletrônicos, as vibrações intramoleculares, flexão de ligações e topologia molecular são incorporadas em um modelo de interação de pares de pontos [3]. 

    Este projeto é adequado apenas para candidato brasileiro ou estrangeiros com residência permanente no Brasil que seja altamente motivado para atuar em pesquisa envolvendo simulações computacionais. Os candidatos devem ter graduação/mestrado em Engenharia Mecânica, Química, Petróleo, ou formação em Física ou Química). São necessárias habilidades de programação/script e experiência com softwares de simulação, além de excelentes habilidades de comunicação. 

    Nota mínima para candidatos brasileiros se inscreverem para o PhD no Imperial College é 7,5 de 10 e nota mínima no IELTS, 6,5. 

    O candidato selecionado receberá o patrocinio integral dos valores de “tuition” para realização do doutorado no Imperial College e uma bolsa concedida pelo CNPq. 

    Preencher a ficha de inscrição no link http://www.rcgi.poli.usp.br/opportunities/application- form-rcgi/ (REF 19PhD-IC 3) e enviar CV em inglês + histórico escolar do mestrado e graduação, incluindo seu ranking na classe/curso para o e-mail rcgi.opportunities@usp.br, até 24/02/2019. 


     

    Referências

    [1] H. Frentrup, et al.,”Transport diffusivities of fluids in nanopores by non-equilibrium molecular dynamics simulation”, Mol. Simul., 38, 540–553 (2012).

    [2] H. Frentrup, K. Hart, C. Colina, and E. Muller, “In Silico Determination of Gas Permeabilities by Non-Equilibrium Molecular Dynamics: CO2 and He through PIM-1,” Membranes, 5, 99–119, (2015).

    [3] C. Avendaño, T. Lafitte, A. Galindo, C. S. Adjiman, G. Jackson, and E. A. Müller, “SAFT-γ Force Field for the Simulation of Molecular Fluids. 1. A Single-Site Coarse Grained Model of Carbon Dioxide,” J. Phys. Chem. B, 115, 11154–11169, (2011).

    Despite the importance of predicting flows through disordered media (i.e. in oil and gas reservoirs, in membranes for fluid separation, in the transport of drugs through biomembranes), there are very few studies available in the literature, which combine multiscale tools capable of bridging the nano- and the macro-scales. It has been shown that nanoflows through disordered media exhibit transport properties deviating from their continuum analogs. Here we will investigate this in more detail and advance the field substantially by employing cutting-edge non-equilibrium molecular dynamics simulations of nano-scale flows to furnish relevant transport properties (e.g. permeabilities, diffusion coefficient, solubility, etc) of CO2 in nano-confinement. 

    Objectives:

    The long-term objective of the research is to obtain an understanding of the fundamental physics behind the adsorption and transport processes at the micro- and nanoscale with the aid of well-guided computer simulations. A coarse-grained molecular simulation approach is expected to allow the researchers to cover mixture complexities, system sizes, time and length scales inaccessible with any other experimental or modelling technique, filling a current gap in knowledge. The project will aim at exploring the relationships between the properties of the porous media (pore size distribution, shape and rugosity of nanopores, connectivity, chemical composition of the surfaces, heterogeneities, etc) on the local and macroscopically averaged adsorption and flow properties. These in-silico calculations are accurate enough to be used as guidelines for the reverse-engineering of membranes and porous media (membranes and/or adsorption beds) for fluid phase separation and purification. 

    Methodology:

    It is proposed to perform large-scale coarse-grained molecular dynamics simulations of CO2 (and mixtures) permeating through model confined regions. Non-equilibrium techniques similar to those used to study flow of mixtures through porous media, previously documented in the literature [1,2] will be employed, allowing for direct evaluation of adsorption, diffusion and permeability. The geometry and the chemical composition of surface of the pores will be systematically modified to gain an understanding of the effects of these variables on the permeability and selectivity of the porous networks. We will employ coarse-grained models which allow for the implementation of very large system sizes and the exploration of large time scales which in turn will provide unique information on both the equilibrium and dynamical properties of CO2 transport in nanoconfinement. Coarse graining is a term that refers to the use of simplified molecular models, where the atomistic detail is removed and substituted by the description of molecules in terms of “super-atoms” which represent, typically, a small number of heavy atoms. For example, in a standard CG representation, a CO2 molecule could be modelled as an isotropic spherical bead where all the electronic details, the intramolecular vibrations, bond bending and molecular topology are incorporated within a point pair-wise interaction model [3]. 

    This project would be suitable only for Brazilian candidates or foreigners with permanent address in Brazil, highly motivated to work in research employing computational simulations. Candidates must have an undergraduate / master’s degree in Mechanical, Chemical, Petroleum Engineering, Chemistry or Physics. Required programming / scripting skills and experience with simulation software, as well as excellent communication skills. 

    Minimum grade for PhD Brazilian applicants in Imperial College is 7.5 out of 10 and a minimum 6,5 IELTS score. 

    The selected candidate will be covered for full tuition and a scholarship from Brazil's National Council for Scientific and Technological Development (CNPq). 

    To enrol for this opportunity, fill in the form http://www.rcgi.poli.usp.br/opportunities/application- form-rcgi/ (REF 19PhD-IC 3) and send your CV + record transcript of your master’s and undergraduate courses, including your ranking in the course to the e-mail rcgi.opportunities@usp.br up to the 02/24/2019. 


     

    References

    [1] H. Frentrup, et al.,”Transport diffusivities of fluids in nanopores by non-equilibrium molecular dynamics simulation”, Mol. Simul., 38, 540–553 (2012).

    [2] H. Frentrup, K. Hart, C. Colina, and E. Muller, “In Silico Determination of Gas Permeabilities by Non-Equilibrium Molecular Dynamics: CO2 and He through PIM-1,” Membranes, 5, 99–119, (2015).

    [3] C. Avendaño, T. Lafitte, A. Galindo, C. S. Adjiman, G. Jackson, and E. A. Müller, “SAFT-γ Force Field for the Simulation of Molecular Fluids. 1. A Single-Site Coarse Grained Model of Carbon Dioxide,” J. Phys. Chem. B, 115, 11154–11169, (2011).